无刷直流电动机调速系统设计.docx
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无刷直流电动机调速系统设计
1绪论
1.1直流无刷电动机发展状况
电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。
直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。
但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。
因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机（BLDCM:
BrushlessDirectCurrentMotor）的基本思想。
1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。
1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。
二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。
现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET），特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）,MOS可控晶闸管（IGCT）的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。
直流无刷电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。
随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。
1.2直流无刷电机控制技术的发展
常规控制器（PID控制）尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。
比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。
直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件。
直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：
（1）无位置传感器控制
对于无刷电动机，由于它具有体积、重量轻、结构简单、维护方便、运行可靠的优点所以备受欢迎。
但是无刷电动机要实现旋转，就要实时的检测出转子的位置实现正确换相。
所以位置的检测和换相技术的研究是直流无刷电动机控制目前的一个方面。
最常用的方式是采用传感器的方式。
这种方式可以正确的检测转子位置信号，但是由于传感器的安装不仅会使电机的体积增大，而且传感器也难于安装和维修。
因此无传感器的传动控制引起国内外学术界很大的重视，成为近年的研究热点。
（2）变结构控制
由无刷电机组成的控制系统，为了提高它的控制性能，人们也在使用一些新型的控制策略。
变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，人们开始将直流无刷电机采用变结构控。
（3）模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制
在控制系统中，如何在较宽调速范围内提高电流调节特性以及减小力矩波动一直是系统研究的焦点。
模糊控制是近年来研究的热点，它不依赖于被控对象的精确的数学模型，对系统的动态响应有较好的鲁棒性；PID控制方法可以很好的消除系统的稳态误差，所以人们将两者结合也用于直流无刷电机的控制系统，使系统同时兼有两种方法的优点。
采用Fuzzy-PID复合控制，系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点，响应快，速度无超调，调速范围宽，可达1:
10000，定位精度高，在不同的负载下具有较强的鲁棒性。
2直流无刷电动机的工作原理
2.1直流无刷电动机的结构与原理
直流无刷电动机的结构原理如图2-1所示。
图2-1直流无刷电动机的结构原理图
从图2-1可见直流无刷电动机组件主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分构成。
其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。
其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（
=2，4）组成。
定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。
位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。
当电子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。
直流无刷电动机的组成原理框图如图2-2所示。
图2-2直流无刷电动机的组成原理框图
直流无刷电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，它的功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使直流无刷电动机产生持续不断的转矩，而各相绕组导通顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置传感器产生的信号一般不能直接用来控制功率单元，常需要经过一定的逻辑处理后才能去控制功率单元。
与有刷直流电动机区别的是：
有刷直流电动机必须有一个滑动的接触机构一电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。
综上所述，构成直流无刷电动机的主要部件框图如图2-3所示。
图2-3直流无刷电动机的组成框图
2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型
直流无刷电动机的应用，己遍及各个技术领域其控制方法和运行方式也层出不穷，其他一切直流电动机的转速控制方法均可以用来控制直流无刷电动机。
前己指出，直流无刷电动机实际上是一个由电动机本体，功率管、主回路及转子磁钢位置传感器等部分组成的闭环控制系统。
为了讨论方便起见把功率管主回路和转子磁钢位置传感器合并在一起称之为电子换相器，其主要功能是保证电动机定子绕组准确换相，确保直流无刷电动机在运行过程中定转子两磁场始终保持基本垂直，以提高运行效率。
因此根据功率管主回路的不同和换相控制器件的不同也就派生出了诸多典型控制电路。
主要有以下几种：
①分立元件全模拟电路；②专用集成控制电路；③数模混合控制电路；④全数字控制电路。
其中全模拟电路在无刷直流电动机中曾被广泛应用，目前在许多经济实用型的无刷直流电动机中仍占着主导的地位。
但是，由于模拟电路不可避免的存在参数的漂移和不一致问题，以及线路复杂，调试不方便等因素，因而使电动机的可靠性和其它性能受到影响。
至于什么情况下选用什么样的控制电路则应根据对电路的精度要求与实际条件确定。
2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器
晶闸管变流器构成的直流调速由于其线路简单控制灵活、体积小、效率高以及无旋转噪声和无磨损等优点，在一般工业应用中，特别是大功率系统中一直占据着主要的地位。
但是当系统运行在较低速时，晶闸管的导电角很小，系统的功率因数相应也很小，并产生较大的谐波电流，使转矩脉动大，限制了调速范围。
要克服上述问题必须加大平波电抗器的电感量，但电感大又限制了系统的快速性，此外，功率因数低，谐波电流大，还将引起电网电压波形畸变，变流器设备容量大，还将造成所谓的“电力公害”，在这种情况下必须增设无功补偿和谐波滤波装置。
随着电力电子技术的发展，出现了可控关断的即自关断电力电子器件，即全控式器件。
如大功率晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（powerMOSFET）、可关断晶闸管（GTO）、MOS控制晶闸管（MCT）、绝缘栅门极控制晶体管（IGBT）等自关断器件，采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小百分之三十以上，装置效率高，功率因数高。
同时由于开关频率的提高，直流脉冲宽度调制（PWM-EM）调速控制系统与V—M调速控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小，低速性能好，稳精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。
直流无刷电动机是以电子换向线路和转子位置检测器代替传统直流电动机的机械换向装置而组成的新型电机。
下面结合直流无刷电动机和PWM控制技术的特点来分析直流无刷电动机中的PWM控制系统。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）简称PWM，它是通过功率管开关作用将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度，改变输出电压的平均值的一种功率变换技术。
由脉冲宽度调制变换器向电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称PWM调速系统。
由于PWM控制器的主电路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小，效率高。
直流无刷电动机PMW控制器可分成两大部分：
控制电路和逆变主电路。
PWM控制系统的控制电路由脉宽调制器、逻辑延时环节、脉冲分配和功率管驱动电路、保护电路等基本电路组成。
PMW控制系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PMW变换器。
PMW变换器分为不可逆和可逆两类。
不可逆PWM变换器仅在一、二两个象限中运行
，可逆PMW变换器则可在四个象限中运行，工作于正转电动、正转制动、反转电动和反转制动四种状态，因而，伺服系统中多采用可逆PMW变换器。
可逆PMW变换器常用H型桥式变换器结构型式，它在控制上分为双极式、单极式和受限单极式三种。
3直流无刷电动机控制系统的数学模型
以三相Y形联结的直流无刷电动机为例，来分析直流无刷电动机的数学模型。
首先来研究直流无刷电动机的等效直流电机模型。
直流无刷电动机是由一组变流器，一台同步电机和一个转子位置检测器所组成，而这个变流器和一般变流器不同，它受控于转子位置检测器，是一个所谓自控式逆变器。
它有三个固定的转子位置检测元件A、B、C。
这些位置检测元件受装在转子轴上的一个位置检测装置控制，当某一检测元件被激励时，该元件就会产生信号去触发相应的开关管：
使电流在相应的时刻输入到对应的电机电枢绕组中去。
由于位置检测装置是和磁极一起旋转的，它们之间的相对位置是固定的。
所以当开始激励某一位置检测元件（例如元件A）时，磁极的轴线和相对应的绕组（a相绕组）的轴线之间必然相差一个特定的角度。
这时由位置检测元件A所产生的信号触发相应的开关管，使电流输入到a相绕组，这个电流相对于电机空载内电势的相位也是固定的。
同样当开始激励检测元件B、C时，磁极的轴线与b、c相绕组的轴线也相差同样的一个特定的角度，输入到b相绕组的电流与内电势之间也保持着同样的相位差。
这样，转子位置检测器决定着电枢电流的相位，以及电枢磁势在空间的分布。
改变位置检测元件的相对位置，可以改变位置检测元件产生信号的先后，也就是改变开关管触发的相位，从而改变电枢绕组中电流对电势的相位差和电枢反应磁势对磁极的相对位置。
直流无刷电动机的电枢电流是受转子位置检测器控制的。
每当转子转过一对磁极，电机中的电流，也就是逆变器的输出将相应的变化一个周期。
这种输出频率受电机本身转速控制的逆变器就叫做自控式逆变器，所以直流无刷电动机又被称为自控式同步电机。
直流电机电枢绕组中感应的电势和实际通过的电流其实是交变的。
从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它实际上就是一台同步电机，这个同步电机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们联系起来的。
在电动机的情况下，换向器就起着逆变器的作用，它把电源的直流电逆变成交流电送入电枢绕组。
直流电机中的电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的位置。
这就是说，直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用，它和位置检测器一样，决定着电枢磁势的分布，见图
3-l。
图3-1电刷的位置检测作用
在分析了直流电机中电枢、换向器和电刷的作用以后，把它和直流无刷电动机相比，其实直流无刷电动机和直流电机一样。
只是普通直流电机中加的是一个机械的逆变器—换向器，而直流无刷电动机是用开关管组成的半导体逆变器。
直流电机中用以控制换向发生地点的电刷，在直流无刷电动机中是用位置检测器来代替的，尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的。
目前常用的直流无刷电动机一般由三相永磁同步电机加一套逆变器组成。
这相当于一台有三个线圈，三个换向片的直流电机，所以直流无刷电动机的等效直流电机模型可如图3—2所示。
图3-2直流无刷电动机的直流电机模型
3.1直流无刷电动机的基本方程
假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程式可表示为：
（3—1）
式中：
——定子绕组相电压（V）
——定子绕组相电流（A）
——定子绕组相电动势（V）
P——微分算子
L——每相绕组的自感（H）
M——每两相绕组间的互感（H）
由于转子磁阻不随转子的位置变化而变化，因此，定子绕组的自感和互感为常数。
当三相绕组为Y连接，并且没有中线时，则有：
+
+
=0（3—2）
M
+M
=－M
（3—3）
将式（3—2）和式（3—3）代入式（3—1），得到电压方程式为：
（3—4）
电磁转矩为：
（3—5）
式中：
——电动机的角速度（rad/s）
在通电期间，直流无刷电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的感应电动势为：
（3—6）
式中：
----极对数
N----总导体数
----主磁通
n----电动机转速
从变频器的直流端看，Y型联结的直流无刷电动机感应电动势E。
由两相绕组经逆变器串联组成，所以有
=2
（3—7）
因此，电磁转矩表达式可化为：
（3—8）
式中：
——方波电流的幅值
——电机的角速度
由式（3—8）可以看出，直流无刷方波电机的电磁转矩表达式与普通直流电机相同，其电磁转矩大小与磁通和电流的幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制直流无刷方波电机的转矩。
另外电动机转子的运动方程为：
（3—9）
进一步化简可得：
（3—10）
式中：
——负载转矩
J——转子与负载的转动惯量
B——粘滞阻尼系数
由于本系统采用120°导通电压型三相逆变器，任一时刻只有两相通电，直流无刷方波电机的输出相电压幅值为下动态电压平衡方程式：
（3—11）
式中：
——电源电压
忽略粘性摩擦，电动机的转矩平衡方程式为：
（3—12）
定义下列时间常数：
——电磁时间常数
由式（3-12）可得：
（3—13）
对式（3-11）和式（3-13）两边分别进行拉式变换后得：
（3—14）
（3—15）
联合式（3—14）和式（3—15），并考虑到
，得到直流无刷方波电机的动态结构图，如图3-3所示。
图3-3直流无刷电动机动态结构图
3.2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型
本文所用的电动机为直流无刷电动机，其主要技术参数为：
磁极数：
12工作电压（V）：
46
相数：
3连堵力矩（N·m）：
2.40
电机两端电阻（
）：
1.81电机两端电感（mH）：
5.1
连堵力矩时的电流（A）：
5.42峰值力矩时的电流（A）：
25.3
电势常数（V/rpm）：
0.0484转矩常数（N·m/A）：
0.462
空载转速（rpm）：
900机电时间常数（S）：
0.13
将代入
，
，
，
直流无刷电动机的动态数学模型，则直流无刷电动机的动态结构图如图3—4所示。
图3-4直流无刷电动机动态结构图
PWM控制器的传递函数为：
（3—16）
其中：
（3—17）
由于PWM的开关频率为f=20K
，因此
（3—18）
所以：
（3—19）
本系统速度检测可认为是比例环节，从负载轴检测，其比例系数为：
（3—20）
本系统电流检测也可认为是比例环节，其比例系数为：
（3—21）
PI调节器的输入电路为两个T型滤波器，作为给定信号与反馈信号滤波。
（3—22）
其中：
可取
以上介绍了无刷直流电动机的基本方程，且建立了无刷直流电动机的数学模型，并分析了无刷直流电动机的运行特性，进而推出了无刷直流电动机传递函数，以及PWM控制器和PI调节器参数。
4硬件电路
第2章我们介绍了无刷直流电动机的结构与原理,根据无刷直流电动机的原理设计了直流无刷电动机控制系统，其原理框图如图4-1所示。
图4-1系统控制框图
4.1主电路
主电路开关器件的选择，其主要依据是所要设计系统的功率等级，一般来说，开关期间的额定耐压值应不小于2倍的直流侧最大电压，主开关器件的额定工作电流应不小于2—3倍电路的额定工作电流。
我们实验中所设计的额定直流电压为50V，其额定电流不超过15A，所以是小功率样机，在实验中我所选取的开关器件为IGBT，其型号为BSM100GB120DNZ，额定耐压为1200V，其集电极最大电流为150A，足以满足实验的要求。
图4-2电流型逆变电路
图4-3EXB系列驱动器的典型应用线路
首先，1415引脚为触发脉冲输入，由于内部有光电隔离，所以，它具有很好的隔离功能。
如果在14，15脚之间输入10mA的电流，则光耦打开，这样就能够产生触发信号。
除了隔离和触发功能以外，EXB841内部集成了过电流保护功能，对应的引脚是4，5，6。
6脚一般接于IGBT的集电极，当发生过流时，集电极为高，则5脚变成低，可以以此信号经隔离，作为过电流信号。
但是，对于过电流时间小于10
的情况，EXB841采取了慢关断，可以避免关断时产生过电压尖峰，使IGBT击穿。
EXB841的输出是采用推挽输出的形式，这样可以增加驱动功率，使IGBT可靠导通，并且内部电路具有负电压关断的功能，使IGBT可靠关断。
本文所采用的驱动电路原理图如图4—3所示。
在设计EXB814电源的时候，最好是每个EXB814对应一个电源，这样，可以消除因电源之间的耦合对触发可靠性的影响。
但在本设计中，采用了4个电源，每个桥臂上面的开关管都有自己的电源，而每个桥臂下面的开关管共用一个电源，这样做也是可行的，因为在实际的电路中，每个桥臂下面的开关管本来就是共地的。
由于EXB841的工作电源是20V，所以，在设计电源的时候，我们首先利用变压器将220V交流电降压，然后经过二极管整流，最后用集成稳压电源MC7820，得到了20V直流电。
另外，在EXB841电路中，我们需要注意的是IGBT的触发线一定要用双绞线的形式，而且，线不能太长。
利用EXB814作为驱动模块时，应注意需另外设置过电流保护电路，EXB841的保护功能只能作为辅助保护，主保护还需对其电流进行采样，然后利用比较电路来产生过电流信号，因为短路或者过电流时，一般都需要尽快的通知控制器，能够使控制器尽可能快的采取相应的操作，虽然EXB841具有短路保护功能，但是动作时间不确定，其可靠性有待提高。
4.2换相电路
换相电路主要由电动机换相专用芯片LM612来实现。
无刷电动机与一般直流电动机的区别是无换向电刷，所以需要单片机控制电子开关线路的通断去控制电动机的换相。
电动机的转向由LM621的引脚2来控制，位置传感器采样回来的霍尔信号接在6，7引脚上，17脚的PWM_EN端接在电流测量电路的与门的输入端。
如果要用单片机控制换向操作使电机转下去，这时，单片机大部分时间花在换相工作中，同时还要监视用户界面，控制调速和转向操作，因此负担较重。
如果使用专用集成电路则可以大大减轻单片机工作，腾出时间进行通讯，检测，故障诊断等其他工作。
用于无刷直流电动机的专用芯片有很多种，它们大多是针对有霍尔式位置传感器的三相无刷直流电动机而设计的。
它们大多具有换向功能，PWM调速功能，转向控制功能，制动控制功能，电动机相数和工作方式选择功能，保护功能（如限流保护，欠压保护，过热保护等）。
有些芯片还集成了驱动电路，可以方便地驱动小功率无刷直流电动机。
本课题采用的是专用集成电路LM621，下面介绍一下它的工作原理。
LM261专用集成电路芯片专用与三相或四相无刷直流电动机的控制。
三相无刷直流电动机可以选择全桥或半桥驱动，角形或星形联结方式；四相无刷直流电动机采用半桥驱动。
它的输出端提供35mA基极电流，可以直接驱动双极型功率晶体管；要求电动机使用霍尔式位置传感器；可以直接与外部PWM信号接口，实现调速功能；有转向控制功能：
有死区调节功能，有过流保护功能和欠压保护功能。
LM261芯片采用双列直插式封装，有18个引脚。
欠压封锁电路用于对Vcc1进行监视，如果电压过低则立即关闭输出。
典型动作电压为+3.6V。
通过引脚17，外部也能控制输出封锁。
死区的作用是避免上，下桥臂开关管出现直通现象。
这种直通现象出现在开关管“开”与“关”的延时过程中，以及突然改变转向的过程中。
通过引脚4与外接RC振荡电路，为死区时间发生器提供振荡时钟，因此，死区的时间应该是振荡周期的两倍。
振荡周期
可由下式计算。
（4—1）
可根据实际需要确定死区时，从而计算所需要的R值和C值。
图4-4LM621接线图
由图可看出死区时间发生器输出一个死区信号OE，它通过换相译码电路实现死区功能。
来自引脚2的正反转控制信号也通过死区时间发生器，并产生一个延时后的转向信号DIR输出，来保证转向的状态变化是在死区时间内进行的。
换相译码电路将来自霍尔传感器的信号和引脚8的信号转化成控制开关管的换向信号。
LM612通过外接IGBT组成全桥驱动电路。
引脚8接高电平，表示采用30°间距角，二二导通方式的换向逻辑进行驱动。
引脚3也接高电平，表示使用死区功能，死区时间设计为4.8
。
电路设有过流保护功能，当电流在电阻R上的压降等于给定电压
时，比较器输出低电平，使与非门输出高电平LM621封锁输出，起到保护作用。
单片机74HC273通过与非门和LM612对电动机进行调速控制。
通过单片74HC273来控制电动机的转向。
由于大部分控制工作交给了LM621完成，单片机只在调速和改变转向时才进行干预，所以单片机有充裕的时间做其他工作。
5软件部分设计
第4章我们己经完成了对系统的硬件设计，这些硬件电路要靠软件系统的协调才能正常的工作。
在一个控制系统中，承担执行任务的都是硬件电路，而给硬件电路发送执行命令的应该是软件系统，软件系统告诉了硬件电路该怎么样执行，什么时候执行，执行到什么程度。
这一章我们对软件系统做总体的介绍。
5.1软件总体构成
本无刷直流电动机控制系统软件主要完成以下功能：
（1）电机转向的判断。
电机具有正转及反转两种旋转方向，根据S1的按键值不同决定电机的运行方向
（2）测量电机的实际转速
（3）进行转速调节。
使电机实际转速能够跟随给定值变化，并且能够稳定行；
（4）检测电机是否过流。
当系统出现过流时能够及时进行处理，关断开关管，停止电机运行，保护电机的安全；
5.2主程序的设计
一般软件系统中只有一个主程序，主程序贯穿整个系统执行过程，它就象是一个平台，起着组织和调度的作用，另外，它应该完成系统运行初期的初始化操作，而且在系统复位以后，应该从主程序
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